专业类实验课线上教学的探索与实践
杨文萃 赵慧 钟晓阳 赵启凡 蔡小平
摘? 要：为应对新冠疫情导致的学生无法到校学习的问题，很多课程转向了线上教学。文章调研了哈尔滨工业大学道路桥梁与渡河工程专业大二学生对线上学习的看法;总结了学生线上学习时存在的主要困难;相比于理论课程教学，专业类实验课程线上教学面临着更多的困难与挑战，基于《水泥混凝土配合比设计试验》课程线上教学经验，总结了多项实验课线上教学对策。研究结果为后续可能的持续抗疫工作做好准备，同时对未来线上线下混合式实验教学提供参考。
关键词：专业类实验课;线上教学;困难与挑战;对策
中图分类号：G642? ? ? ?文献标志码：A? ? ? ? ?文章编号：2096-000X（2021）11-0051-05
Abstract： To response the students' absence at schools due to the COVID-19 pandemic， many courses had turned to online courses. In this paper， the opinion of students， who are sophomore in the major of Road Bridge and River Crossing Project at Harbin Institute of Technology， on the online learning， was investigated. The difficulties of learning online for students were summarized. Compared with theoretical courses， professional experimental courses or lab teaching faced more challenges and difficulties. Based on the online teaching experience of "Mixture design of cement concrete"， some measures for experimental online courses are given. The results could be not only a preparation for the possible fighting to COVID-19 in coming days， but also a reference for the online-offline mixing teaching of experimental courses in future.
Keywords： professional experimental courses; online teaching; difficulty and challenge; measures
2020年对于各行各业都是特殊的一年，对教育行业更是如此。面对突如其来的新冠疫情，教育部提出“停课不停学”的号召，很多学校开始转变教学模式与方法，大量课程不得不从线下课堂教学转向线上教学。线上教学是一种基于互联网远程教学平台，利用网络教学管理工具，模拟师生面授课堂，并试图突破传统课堂时空局限的异地教学方式[1]，与传统线下教学存在着诸多差异。同时由于时间紧迫，教师与学生都需要在短时间内快速适应线上教学。很多学校和教师都积极探索，逐渐适应，获得了线上教学的很多经验与有效做法[2-6]。根据疫情的防控情况，哈尔滨工业大学在2020春季学期课程全部采用线上教学，学生居家学习。相比于理论课程教学，专业类实验课程线上教学面对了更多的困难与挑战。本文在经过专业类实验课线上教学的实践后，从以学生为中心的理念出发，调研和总结了学生对线上学习的看法以及线上学习存在的主要困难，同时提出专业类实验课程线上教学的几点对策。线上教学不仅是疫情特殊时期的应对教学手段，也是未来教学模式发展的一个重要方向。因此，本文的经验与做法为今后可能的持续抗疫工作做好准备，同时对未来线上线下混合式实验教学提供参考。
一、线上教学特点和学生的接受程度
为了解学生对线上教学与线下教学的接受与认可程度，发现并改进线上教学过程中存在的问题，确保并提高教学质量，对哈尔滨工业大学2018级道路桥梁与渡河工程专业的学生进行了问卷调查，收回有效问卷37份，并对其中30%的学生进行了深入采访。调研结果表明，总体上大部分学生都认为线上教学与线下教学存在很大差别，而认为没有差别或基本一致的学生不到四分之一，见图1。
（一）线上教学与线下教学的相同之处
1. 教学内容
进一步分析学生对于线上教学和线下教学相同之处的看法发现，几乎所有学生都认为大部分线上课程的主要教学内容与线下课程基本相同。由于課程的教学内容主要以专业的培养方案和课程教学大纲为依据，因此变化不大。
2. 教育理念与教学模式
已有研究表明此次疫情期间的线上教学模式总体上沿袭了传统的线下教学模式[7]。主要教学环节包括：课前老师布置预习任务，提前发布电子版教材或课件PPT;课上以老师授课为主，由老师引领学生完成教学活动，达到教学目标;课后由老师发布学习任务或作业，学生完成后交由老师检查，以实时了解学生学习情况。大部分课程并没有因为教学空间的改变而导致教学环节的缺失，很好地保持了教学内容和教学活动的完整性。线上教学的主要环节见图2。
图2 线上课程的主要教学环节
（二）线上教学与线下教学的不同之处
对于线上教学与传统线下课堂教学的差异，受访学生各抒己见，见解颇多，总结起来主要在于“教学活动”与“教学效果”两个方面，其中教学活动主要包含“构成要素”和“教学环境”的不同，而对于教学效果，学生们普遍关注“互动效果”和“学习效果”的不同。
1. 构成要素
相比于线下教学，在线学习除了“教育者”“受教育者”“教学内容”三大基本要素之外，还要求有相应的硬件支撑（如电脑、手机等）以及较好的网络条件。而这两个构成要素对教学效果的影响是不可忽略的，甚至有时候会成为主要问题。如部分学生由于家庭网络状况不良（WIFI不稳定、仅有数据流量且信号不佳），极大地影响了学习进程与学习效果。而线下教学的教室可保持教与学的联系，教学空间不会成为主要的限制因素。
2. 教学环境
线下课堂教学的另一个优势是“面对面，零距离”，教师可以根据学生们的表情、眼神等实时反应，了解学生们对知识点的接受程度与掌握程度，进而灵活调整教学实施过程;另一方面，师生同处于一个空间，学生处于教师的监督之下，上课会更加认真和投入，吸收效果更好。而线上教学虽说师生也同处于“一个空间”，受限于网络状况或直播平台，教师大部分时间看不到学生，无法直观获取学生对授课情况的反应。这使得师与生、教与学被相对割裂开来，而学生由于自制力不足等原因，容易导致听课质量下降。
3. 互动效果
学生们对线上教学的互动效果评价较好，很多學生认为线上教学的师生之间互动增多，且更加充分。一名学生的说法具有代表性：“以前是老师问学生，现在是学生问老师。”出现这种现象恰恰是线上教学的特点所致，一方面老师无法通过学生的表现来了解学生听课情况，往往会通过抽查或提问的方式来询问学生，以保证学生的听课效率;另一方面，由于师生之间通过网络连接，减少了面对面交流带来的紧张情绪，很多性格偏内向的学生也打消了顾虑，所以发言人数比传统教学更多。同时，伴随互联网成长的年轻学生更喜欢在讨论区或弹幕区打字互动。此外，课下通过教学群（多数为QQ群或微信群）维持师生之间的联系。
4. 学习效果
对调查问卷中的“线上学习的效果”分析，得到的结果如图3所示。可以看出，学生对线上学习效果的评价主要集中于60～80分，表明线上学习效果总体不错，但仍有部分学生评分低于该水平，可见部分学生认为线上学习效果要比线下学习差。在对学生们的进一步采访中了解学生打分的理由。很多学生认为，线上学习缺少了老师的监督，对学生的自制力要求很高，但只要管好自己，学习效果还是很好的，而且线上教学的视频能反复观看。另一部分学生则坦言在家学习比较困难，缺乏良好的学习环境，很难静下心来学习，学习过程中遇到问题无法面对面交流，导致学习效果不好。
二、线上学习的困难
（一）学生线上课程学习面临的困难与问题
有研究表明大部分学生在疫情前没有参与过线上学习[7]，因此，线上课程对学生来说也是一种新型的学习方式。总结学生对线上课程学习过程中问题及困难的反馈，主要包括以下几个方面。
1. 相比于线下课程，在线课程学习的效率较低
主要原因包括以下几点：网络状况差或直播课程出现卡顿导致学生听课时可能会漏听内容，而部分课程的在线授课平台没有回放功能，导致学习的内容不完整。网络卡顿导致的视频不流畅会消耗学生的耐心，几次之后就会走神，导致注意力不集中，特别是家处偏远地区的学生，网络条件差，听课效率低甚至根本无法听课。长期使用电子设备也会导致听课效率降低，很多学生基本每天都是满课，在电脑前坐一整天，晚上还要在电脑上完成相关作业，不仅精神处于高度紧张状态，身体也不堪重负，长时间下来会产生身体上的不适，其他研究也有类似的发现[8]。在线授课过程中，教师无法使用黑板写板书，虽然在PPT上书写或采用手写板可以弥补黑板的部分作用，但在屏幕上的显示效果往往不佳，字迹偏小或较难以辨认，也导致听课效率降低。
2. 线上课程教学限制了一些教学方法的应用
如部分课程中的实验、教师演示、画图、手势动作以及眼神交流等在线上教学过程中无法实施，导致学生听课效率降低，对一些知识点掌握不透彻。学生需要自己在线下去消化、思考、领悟，花费大量时间和精力。
3. 居家学习的学习环境和学习氛围差异较大
多名学生表示家中无法提供一个良好的学习环境或学习氛围。很多学生的家人也因为疫情居家工作，而左邻右舍也难免产生一定的影响。在学校生活中，自习室、食堂、寝室等场所分工明确。而居家学习时，餐桌可能就是书桌，使得学生心理状态发生变化，很难开启学习模式，无法提高学习兴趣和学习效率。线上教学的师生交流并不能像线下一样流畅、方便，同时学生之间也只能通过网络交流，不能流畅地讨论，当遇到不能理解的知识或较难的题目时，无法在第一时间求助老师或同学。此外，学生各自居家学习，无法看到其他同学的学习状态，失去了由相互间的良性竞争引起的学习主动性。
4. 线上学习对学生个人的自制力要求高
虽然有家长的督促，但居家学习缺少了老师的监督和学生间的竞争，学生容易出现懒惰的思想，加上大二学生在2020春季学期开始学习专业类课程，难度较大，学生容易出现开小差、不认真听课的情况。
5. 居家的生活作息与线上教学时间安排不协调
有些西部地区或少数民族学生有当地习俗，作息时间与线上课程时间不重合，例如新疆或西藏与黑龙江有2～3个小时的时差，学生不得不起早上课，这些学生还需应对作息时间的问题。
从学生们的反馈可以看出，因为地域特征、社区环境、家庭条件和网络状况等因素，上述困难或问题在很多情况下不是单一存在的，很多学生同时面临着多个问题。同时，这些问题具有普遍性，不同国家和地区的学生线上学习都在一定程度上面对这些挑战[9]。上述问题或困难导致了学生在2020春季学期受到较大的学业压力，这也是部分学生对线上教学评分较低的主要原因。
（二）学生在线学习实验课的困难与问题
相较于在线理论课程，专业类的实验课程线上教学除了上述困难外，由于实验课的特点，对教与学都带来了更大的挑战。首先，专业类的实验课程是学生直观认识相关材料、学会使用专业仪器和设备的主要途径，由于学生无法进入实验室近距离观察，使得这一教学目标大打折扣。其次，专业类的实验项目不同于常见的物理现象，一般很难居家完成或实现。学生无法在特定的试验条件下动手操作，锻炼试验技能的教学目标受到极大的影响。同时，一些试验现象也无法直接观察。再次，分组进行的试验项目由于学生无法面对面交流，沟通和合作的效率降低。最后，由于在线实验项目无法动手操作，学生的兴趣及参与度都有所下降。
对于教师来说，缺少实物操作的实验课教学抵消了实验教学的最大优势，而且目前的大部分在线教学平台对在线实验演示的支持度并不高，且在线教学对于研究型大学的实验教学的影响程度更高[7]。对实验课老师的采访发现实验课老师对学生学习效果普遍不太放心。可见，在线实验教学对老师提出了更高的要求。
三、专业类实验课线上教学的对策
针对专业类实验课线上学习的特点与困难，教师采取有效措施，才能避免线上实验教学可能的弊端，同时发挥出线上教学的优势。哈尔滨工业大学交通与科学工程学院开设的《水泥混凝土配合比设计》是黑龙江省精品课程《土木工程材料》的配套实验课，面向道路桥梁与渡河工程专业大二年级学生，是该专业学生接触的第一门专业类的实验课程。为保证正常的教学秩序以及与理论课程的接续，2020年春季学期该实验课程采用线上授课方式。主要从以下几个方面改进以适应线上教学特点和保证教学效果。
（一）教学设计
《水泥混凝土配合比设计试验》包含多项验证性实验项目和3个综合设计性实验项目。为确保课程对培养目标的支撑，线上课程的主要教学内容仍然依据教学大纲，变化不大。但在教學设计上有所调整。
细化实验原理、操作方法、结果处理等教学内容并丰富ppt课件，加强讲解的比重。相较于学生在实验室面对着具体材料、仪器上课的不同，远程的学生主要通过老师的课件和讲解来了解具体的试验方法。因此，课件上适当增加相关材料、仪器等图片与动画，使学生在观看试验演示视频前有直观的了解。教师在讲授过程中也须对仪器原理和操作方法进行更详细的讲解。
强化验证性试验项目的数据处理训练。线上学习时，学生虽然无法在实验室动手操作获得原始数据，老师为学生个人或小组提供不同的原始数据，学生对这些原始数据进行分析与处理，训练学生分析问题的能力。例如提供给学生水泥胶砂试件强度试验的荷载值，学生对数据处理获得抗折强度和抗压强度，并评定水泥的强度等级。
对于综合性设计实验项目，如混凝土配合比设计，以往线下课程的配合比设计、混凝土试拌、配合比调整、强度验证等环节均由学生在教师的指导下完成。采用线上教学时，配合比设计由各小组根据具体性能要求和给定的原材料条件完成，再由教师在实验室试拌、验证配合比，通过视频、试验记录等将结果反馈给学生。
（二）线上教学模式
在线授课主要有四种模式：单向广播、视频会议、网络视频和翻转课堂[10]。在线教学也可由多种平台实现[11]。《水泥混凝土配合比设计试验》采用了“在线直播+演示视频分享+微信群/QQ群讨论”的线上教学模式。在线直播采用具有回放功能和一定互动功能的腾讯课堂，系统讲解实验项目的目的、方法等。演示视频主要展示具体试验项目的操作过程，通过QQ群和百度网盘分享。微信群/QQ群用于课下的交流与讨论，以及课件、相关标准与规程、典型案例等分享，学生上交实验报告等。这种线上教学模式可以实现教学内容全覆盖，同时发挥出线上学习灵活、便捷的特点。学生可根据自身情况预习、复习和安排学习进度。问卷调查中89.8%的学生认为“老师讲授+演示视频”是较好的学习方式。
（三）教学资源
以电子版课件及课程组葛勇教授主编的《土木工程材料》教材作为主要学习资源，辅以国家、行业标准和规范，学生可以对实验原理、方法及结果处理具有较好地理解和掌握。为避免网络质量的影响，实验操作过程采用录制方式而非直播的方式进行。教师在实验室进行操作并讲解，录制后进行剪辑，一些重复性动作可加快播放速率，重点地方增加字幕。剪辑后的视频可在课前或课上播放，同时采用QQ群和百度网盘等分享给学生。演示视频不宜过长，在保证一定清晰度的同时尽量压缩文件，否则部分只有流量的学生无法观看或无法保存。同时，一些专业论文和报告作为课下阅读材料，有针对性地在课后分享给学生。
（四）教学互动
线上实验课教学的师生间互动主要包括两个方面。一是直播教学过程中的互动，借助于直播平台的签到、投票、举手、语音和讨论区等功能完成。例如，教学过程中设计选择题来调研学生对某一问题的看法或检验学生对某一知识点的掌握程度。文字讨论区很受学生的欢迎，主讲教师可在讲课过程中参与讨论，如有助教或其他教师参与讨论则效果更好。二是课下的交流与讨论，主要通过微信、QQ等社交软件进行，而且学生有问题时倾向于单独问老师而较少在群里讨论，这与线下教学情况相似。
（五）教学保障
学校及学院采取多项措施保障线上教学的顺利开展与教学质量。开课前，授课教师完成线上授课方案，由学校本科生院及学院教学委员会审核，通过后才能开课。开课过程中，学院督导组专家跟踪听课，并实时获取学生的反馈。学校及学院也多次组织教学研讨，针对线上教学的问题、经验、做法等进行讨论。《水泥混凝土配合比设计试验》在授课平台选择、教学风格等多个方面得受益于第一批线上课程的经验。
（六）成绩考核
实验报告是实验课常采用的考核方式，根据学生的完成度、正确性评定学生的成绩，但在线上授课的情况下，教师很难监督学生完成实验报告的过程，以小组为单位完成的实验报告可能出现有学生参与度低的情况。因此，在《水泥混凝土配合比设计》成绩考核上，采用了实验报告（占50%）+大流动性混凝土配合比设计（占30%）+口试（20%）的方式进行。口试采用线上视频会议方式，考核学生个人对学习内容的掌握程度。考前建立试题数量足够的试题库（每人2题），保证每位学生的题目不重复，每个小组的题目涵盖全部教学内容。口试过程采用随机抽题、相同的答题时间以及至少2位老师打分算平均分，以保证公平性。在学生回答后教师对答案进行补充或更正，进一步促进学生对知识点的认识或掌握。大流动性混凝土配合比设计是课程近年来采用的小组竞赛教学方法，对提升学生学习主动性和参与度具有促进作用，获得较好的教学效果[12]。线上教学仍然保留了小组竞赛，但在评分标准上有所调整，减少了混凝土试拌环节分数，相应增加配合比设计、展示、小组成员贡献度的分数比例。采用3项累加的考核方式一方面避免单一实验报告评价准确性低的问题，另一方面师生面对面的口试及交流可以让教师更加了解学生的学习效果。但课程结束后的问卷调查显示，学生对实验报告考核认可度最高，对难度较大的口试的认可度仅高于笔试，因此在口试的题目设立、实施方法、分值比重等方面还需进一步研究与优化。
（七）为学生返校后设立实验室开放时间，发挥实验课直接体验的作用
77.6%的学生认为“自己课前预习+课上老师讲解+动手操作”是这门实验课的最佳学习方式。因此，为巩固线上实验课程的教学效果，同时发挥实验课直接观察、动手体验的作用，在学生返校后灵活安排实验室开放时间，学生可在实验室动手操作实验项目，教师及助教给予一定的指导。这是保障最终的实验课教学质量，完成实验教学在培养方案中作用的重要一环。
四、专业类实验课线上教学的学习成效
在目前学生尚未返校的情况下，专业类实验课程的最终教学效果还有待进一步观察和检验。就线上教学环节来说，《水泥混凝土配合比设计试验》采取了多种措施适应在线教学。课程结束后对上课学生进行了调研，当学生被问到“在这门课程中最主要的收获有哪些？”，近三分之一的学生认为对理论知识的理解和巩固加深了，其次是学会了实验原理、方法、仪器操作方法等，排在第3位的是与小组内同学的交流与合作。对于“你对这门课程的其他意见和建议？”这一问题，学生表达最多的是没能实际动手做实验比较遗憾，希望回到学校后有机会动手操作，能够看到自己设计的混凝土配合比的效果，用自己配制、成型的混凝土试块来测试强度。这也表明学生返校后补充实验的重要性。
五、结束语
由于大部分教师和学生都是第一次接触线上教学，教与学两端都遇到了困难与挑战，但在线上教学实施过程中也发现了线上教学的一些优点。将这些优点和线下实验教学优势结合起来，教与学的效果会更好。例如平时教学也建立教学群，学生可以更加方便地和任课老师取得联系，学习过程中有疑问也能快速联系到老师;另一方面教师可以给学生推荐课程相关网课资源，学生在课堂上没有学好的部分可在课后自学网课弥补。老师提前录制好实验操作视频并让学生课前观看，并结合传统的实验前写预习报告的方式，可使学生的预习效果更佳，学生在实验课上的表现会更好。
参考文献：
[1]邱燕楠，李政涛.从“在线教学胜任力”到“双线混融教学胜任力”[J].中国远程教育，2020（7）：07-15.
[2]安娜.构建高效线上课堂的思考与实践[J].黑龙江科学，
2020，11（13）：66-67.
[3]馬媛媛，孙全党，徐久成.软件测试课程“停课不停学”全线上教学模式探索[J].计算机教育，2020（7）：33-36.
[4]梁爽，吴秀彩，冯旭，等.新冠肺炎疫情防控形势下开展线上教学的思考——以广西中医药大学为例[J].科教文汇，2020
（07）：60-61.
[5]朱晓斌.疫情背景下工程力学课程线上教学的探索[J].轻工科技，2020，36（7）：188-189.
[6]吕滋建，管恩京.疫情下“1+X”线上教学模式的探索与实践——以疫情下山东理工大学线上教学为例[J].科技与创新，2020（14）：57-59.
[7]邬大光，李文.我国高校大规模线上教学的阶段性特征——基于对学生、教师、教务人员问卷调查的实证研究[J].华东师范大学学报（教育科学版），2020（7）：1-30.
[8]王文玲，陈子瑜，黄安平，等.“停课不停学”背景下“基础物理学”线上教学方案探讨[J].物理与工程，2020，30（5）：1-5.
[9]田蕊，熊梓吟，Normand Romuald.疫情之下全球教与学面临的挑战与应对之策——OECD《2020应对COVID-19教育指南》解析与思考[J].远程教育杂志，2020（4）：3-14.
[10]叶辉，杨晓飞，薛文涛.“停课不停学”背景下高校专业课线上教学模式探究——以“单片机原理与应用”课程为例[J].科教文汇，2020（7）：102-104.
[11]朱海波.新型冠状病毒肺炎疫情防控期间在线教学的实践与思考[J].陕西教育（高教），2020（7）：50-51.
[12]蔡小平，杨文萃，葛勇.竞赛模式在“土木工程材料”实践教学中的应用[J].哈尔滨工业大学学报（社会科学版），2014，16（增1）：135-137.
